巨厚砾石层中PDC 钻头的设计与应用

胡 佳，郭俊磊，吉 林，杨贤达

（1.渤海石油装备（天津）中成机械制造有限公司，天津 300280；2.渤海钻探第三钻井工程分公司，天津 300280）

0 引言

近年来，随着石油开采技术的进步，PDC（Polycrystalline Diamond Compact，聚晶金刚石复合片）钻头以高机速、长寿命的特点在石油钻井行业中所占的比例越来越大，但在巨厚砾石层中钻头切削齿易先期损坏，使用效果达不到预期。

吉木萨尔凹陷页岩油水平井采用381.0/215.9（mm）或311.2/215.9（mm）二开井身结构，一开井段段长1700 m，其中砾石层长约1200 m，为典型巨厚砾石层，通常需要2～3 趟钻才能钻穿，施工效率低，严重制约了该区块钻进速度。通过调查钻头使用情况发现，前期钻头采用19 mm 单排齿结构，四刀翼布局，PDC 钻头破损形态为钻头芯部和外锥复合片崩齿或断齿（图1），分析主要原因为：该井段砾石含量30%以上，砾径大，地层均质性较差，配合高转速螺杆钻进时，钻头机速较快但容易崩齿。为此，通过攻关该地区个性化PDC 钻头设计，以解决钻头机械钻速低和寿命短的问题，提高油藏开发经济效益。

图1 前期钻头磨损情况

1 地层岩石特性分析

吉木萨尔凹陷一开井段所钻地层为第四系至侏罗系，第四系至白垩系0～1200 m 岩性以黄色、红褐色泥岩、膏质泥岩与粉砂岩互层为主，夹砂砾岩、小砾岩、细砾岩，砾径3～20 mm；侏罗系1200～1700 m 岩性为砂岩夹泥岩。通过导入相关录测井数据，利用地层可钻性分析软件计算得出，该井段地层单轴抗压强度10～60 MPa，可钻性级值2～5.5，属软～中硬地层。

2 钻头个性化设计

根据地层可钻性分析数据及前期PDC 钻头使用损坏特征，设计一款兼顾抗冲击性和高攻击性的PDC 钻头，分别从冠部轮廓设计、切削结构设计、三维建模等3 个方面进行设计。

2.1 冠部轮廓设计

针对本课题所研究的地层特点，采用等磨损原则进行冠部轮廓设计[1]，确定出适合钻进巨厚砾石层、软-中硬地层的冠部轮廓形状：中深锥、两段圆弧式冠部轮廓（图2），这种冠部轮廓具有以下特点：①中深内锥角θ，能增加钻头心部切削齿在井底的覆盖面积，提高心部抗冲击能力；②第一段圆弧采用大弧度θ1、小圆弧半径r1，能提供钻头肩部更大的切削体积和布齿密度，达到很好的抗冲击能力；③第二段圆弧采用小弧度θ2、大圆弧半径r2，使钻头肩部齿到保径齿更加圆滑的过渡，可以进一步控制钻头的振动，提高钻头的稳定性。

图2 钻头冠部轮廓

2.2 切削结构设计

（1）切削齿尺寸。根据地层可钻性极值及抗压强度特点，选择直径19 mm 的大尺寸PDC 齿作为主切削元件，对软岩层的切削效率更高，考虑到PDC 钻头的设计特点及前期损坏特征，钻头心部布齿密度要低于肩部，钻头心部齿更容易崩齿导致钻头掏心，所以心部齿采用小一级的尺寸16 mm（图3），使用两种不同尺寸切削齿形成复合切削结构，在实现快速钻进的同时，极大延长钻头使用寿命。

（2）布齿密度。根据PDC 钻头的IADC 标准，确定该钻头采用较低的布齿密度，钻头当量齿数Ne≤0.139D，其中D 为钻头外径，即381.0 mm 或311.2 mm，则钻头当量齿数Ne≤52.96 或Ne≤43.26，根据国际钻井承包商协会（IADC）关于PDC 钻头当量齿数的计算公式：Ne=（Dc×Nc）/［12.7/（Db/215.9）］。计算可得：Nc=（Ne×Db×12.7）/（Dc×215.9）。式中，Ne是钻头当量齿数；Dc是复合片直径；Nc是复合片个数；Db是钻头直径。该钻头中，Dc=19.05 mm，Db=381.0 mm 或311.2 mm，则Nc=Ne×（Db×12.7）/（19.05×215.9）。

当Db=381.0 mm，钻头布齿数量Nc≤62.3 颗；当Db=311.2 mm，钻头布齿数量Nc≤41.5 颗。能满足使用要求，结合钻头心部和肩部的磨损情况，心部布齿密度设定为1.5～1.8，肩部布齿密度设定为4.2～4.8，利用等磨损方法绘制出径向布齿图（图3）。

图3 钻头径向布齿

（3）切削齿角度。切削齿角度一般指后倾角和侧倾角，后倾角是切削齿与地层的接触角，角度大小直接影响钻头的机械钻速，侧倾角的方向影响岩屑排出的方向，钻头在井底旋转方向为顺时针方向，侧倾角也采用顺时针方向有利于岩屑排出。根据相关研究数据表明，在砾岩层地层中，切削齿磨损量在后倾角为15°～20°之间增长速度平缓，在20°时达到最大值[2]，本课题所研究钻头切削齿后倾角选用15°～20°，切削齿侧倾角选择0～5°。

（4）刀翼布局。区块前期钻头采用两长两短四刀翼布局，钻头肩部切削齿崩齿严重至本体出槽，说明该部位布齿密度偏低需要强化，将四刀翼优化为五刀翼布局以提高钻头肩部的布齿密度，因此选择两长三短五刀翼布局，提高钻头整体寿命。

（5）复合片的选择。复合片的主要技术指标是抗冲击性和耐磨性，从结构形式上一般分为平面齿和异形齿，平面齿是PDC钻头最常用的一种切削齿，具有高效的剪切破岩能力，同时具有自锐出刃的特性，耐磨性高。异形齿是近年来从平面齿变化出的一种新型齿，通过结构形式、切削机理的改变，可适用于不同的地层工况，用于提高机械钻速或延长钻头寿命。

PDC 钻头工作时，钻头外锥接近保径处的复合片线速度最大，切削扭矩也最大，是最容易发生崩齿损坏的部位，在该部位应用1～2 颗三棱异形齿来提高钻头整体抗冲击性，三棱齿以凸棱分开岩石，分解了正面冲击复合片的作用力，减缓了对两侧平面部分的直接冲击，降低了切削齿崩损的概率，有效提高复合片的抗冲击性，延长钻头使用寿命（图4）。相关试验数据表明，三棱异形齿较常规齿抗冲击性能提高35%（图5）。

图4 异形齿位置

图5 复合片抗冲击测试结果

2.3 三维设计

根据本课题设计理念，通过三维软件设计了适合在巨厚砾石层中快速钻进的PDC 钻头，钻头主要设计特点为：主切削齿采用19/16 mm 复合切削结构、低布齿密度、两长三短五刀翼布局，外锥部位选择三棱齿复合片，其余复合片选择平面齿（图6）。

图6 钻头三维模型

3 应用效果

按照上述设计特征制造的个性化钻头在吉木萨尔页岩油区块红旗331 井、吉2805H 和吉2807H 井进行了推广应用，试验效果良好。一开直井段机械钻速分别为28.9 m/h、31.5 m/h 和37.3 m/h，比区块平均机速22 m/h 分别提高了31.3%、43.2%、69.5%，单只PDC 钻头进尺1700～1800 m，均一趟钻完成钻进目标（表1）。现场应用效果表明，新型PDC 钻头能较好地适应吉木萨尔上部地层钻进，机械钻速和钻头寿命均达到预期效果。

表1 现场试验数据统计

4 结论

（1）在钻进巨厚砾石层时，采用适当的切削齿后倾角（15°～20°），有利于提高钻头机械钻速和抗冲击性能，钻头使用寿命有较大提高。

（2）应用19/16 mm 复合切削结构，能提高钻头心部齿抗冲性能，防止心部磨损出槽。

（3）通过在PDC 钻头外锥部位应用三棱异形齿，能明显改善该部位的抗冲能力，延长钻头寿命。

（4）新型PDC 钻头在吉木萨尔页岩油区块应用成功，为各油田钻进该类地层提供了参考依据，具有较高的经济价值。